双输入单相六开关组mmc整流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供双输入单相六开关组MMC整流器及其控制方法。本实用新型的整流器包括第一交流输入电源、第二交流输入电源、第一电感、第二电感、第一桥臂、第二桥臂和一个整流负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中开关组、下开关组、第三电感、第四电感串联而成；第一桥臂和第二桥臂的上开关组、中开关组和下开关组由N个功率开关单元串联而成。该逆变器采用载波移相PWM控制，2个输入交流电源变换成2路2N+1电平的交流输入，整流叠加后给负载供电，且MMC功率开关单元中每个开关管承受的电压应力仅为直流电源电压的1/N，很好的解决了开关管的均压问题，适合2个单相交流电源输入、高压和大功率场合的应用。
【专利说明】双输入单相六开关组MMC整流器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及模块组合多电平变换器(MMC)领域，具体涉及一种双输入单相六 开关组MMC整流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前功率整流器正向小型化、高可靠性和低损耗方向发展，在这种趋势下出现两 种改进整流器的方向：减少无源器件或者改进整流器拓扑结构以减少有源器件作为减少有 源器件方向的新进展。单相六开关整流器相对于传统的八开关整流器减少了 一个开关及相 应的驱动电路，在考虑成本与体积的应用中占有一定的优势。然而，六开关整流器的两路单 相输入均转换为两电平，输入交流电流的波形比较差。此外，六个开关中每个开关承受的电 压应力为直流母线电压的一半，且存在六个开关的均压问题，这极大的限制了单相六开关 整流器在高压和大功率场合的应用。
[0003] 近年来，多电平变换技术得到不断推广，并已成功应用在诸如高压直流输电、电力 传动、有源滤波、静止同步补偿等工业领域，目前常见的电压型多电平整流器拓扑大致可分 为箱位型和单元级联型两大类。模块组合多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC)作为一种新型的多电平拓扑，除了具有传统多电平整流器的优点，模块组合多电平整 流器采用模块化结构设计，便于系统扩容和冗余工作；具有不平衡运行能力、故障穿越和恢 复能力，系统可靠性高；由于具有公共直流母线，模块组合多电平整流器尤其适用于高压直 流输电系统应用。然而，当两条不同频率的交流线路的相连时，需要2个MMC整流器，这极 大的增加了工程成本。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种双输入单相六开关组 MMC整流器及其控制方法。
[0005] 本实用新型采用的技术方案如下：
[0006] 双输入单相六开关组MMC整流器包括第一交流输入电源、第二交流输入电源、第 一电感、第二电感、第一桥臂、第二桥臂和负载；所述第一桥臂和第二桥臂均由上开关组、中 开关组、下开关组、第三电感、第四电感串联而成；第一桥臂的上开关组由N个功率开关单 元串联而成，第一桥臂的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第一桥臂的下开关组由 N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的上开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂 的中开关组由N个功率开关单元串联而成，第二桥臂的下开关组由N个功率开关单元串联 而成；第一交流输入电源的两端作为第一路输入，第二交流输入电源的两端作为第二路输 入，N为正整数。
[0007] 上述的双输入单相六开关组MMC整流器中，第一桥臂的第三电感和第四电感由耦 合电感替代，第二桥臂的第三电感和第四电感由耦合电感替代。
[0008] 上述的双输入单相六开关组MMC整流器中，第一桥臂的上开关组的下端与第一桥 臂的第三电感的一端连接，第一桥臂的第三电感的另一端与第一桥臂的中开关组的上端连 接，第一桥臂的中开关组的下端与第一桥臂的第四电感的一端连接，第一桥臂的第四电感 的另一端与第一桥臂的下开关组的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一 致；第一交流输入电源的一端与第一桥臂的中开关组的上端连接，第一交流输入电源的另 一端与第一电感的一端连接，第一电感的另一端与第二桥臂的中开关组的上端连接；第二 交流输入电源的一端与第一桥臂的中开关组的下端连接，第二交流输入电源的另一端与第 二电感的一端连接，第二电感的另一端与第二桥臂的中开关组的下端连接；第一桥臂的上 开关组的上端与第二桥臂的上开关组的上端、负载的一端连接，负载的另一端与第一桥臂 的下开关组的下端、第二桥臂的下开关组的下端、地端连接。
[0009] 上述的双输入单相六开关组MMC整流器中，功率开关单元包括第一开关管、第二 开关管、第一二极管、第二二极管和电容；其中，电容的正极与第一开关管的集电极、第一二 极管的阴极连接，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极、第二开关管的集电极、第二二 极管的阴极连接，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极、电容的负极连接；第二开关管 的集电极作为第一输出端，第二开关管的发射极作为第二输出端。
[0010] 上述的双输入单相六开关组MMC整流器中，每个开关组的第j个功率开关单元的 第二输出端与第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1?N-1。
[0011] 上述的双输入单相六开关组MMC整流器的控制方法是，采用载波移相PWM控制每 个开关组的开关管的开通与关断；第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元、第一桥臂 的下开关组的第j个功率开关单元、第二桥臂的上开关组的第j个功率开关单元和第二桥 臂的下开关组的第j个功率开关单元采用相同三角波作为第j个载波?_，其中j的取值为 1?N ;N个载波依次滞后相角360° /N ;第一桥臂的上开关组采用第一正弦波Ral叠加第一 直流偏置RdM作为第一桥臂的第一调制波R al+RdM，第一桥臂的下开关组采用第二正弦波Rbl 叠加第二直流偏置Rd()b作为第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b，第二桥臂的上开关组采用第三 正弦波R a2叠加第一直流偏置RdM作为第二桥臂的第一调制波Ra2+RdM，第二桥臂的下开关组 采用第四正弦波R b2叠加第二直流偏置Rd()b作为第二桥臂的第二调制波Rb2+Rd(A ;第一正弦 波Ral与第三正弦波Ra2的频率相同且相位差为180°，第二正弦波R bl与第四正弦波Rb2的 频率相同且相位差为180°。
[0012] 第一桥臂的第一调制波Ral+RdM与第j个载波Cj通过第一比较器得到第一桥臂的 上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第一调制波 调制波R al+RdM大于第j个载波q时，第一比较器输出高电平，当第一桥臂的第一调制波调 制波R al+RdM小于第j个载波Cj时，第一比较器输出低电平，其中j的取值为1?Ν ;第一桥 臂的第二调制波Rbl+Rd()b与第j个载波q通过第二比较器得到第一桥臂的下开关组的第j 个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平，当第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b小于第j 个载波&时，第二比较器输出高电平，当第一桥臂的第二调制波Rbl+Rd()b大于第j个载波?. 时，第二比较器输出低电平；第一桥臂的上开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门 极的控制电平和第一桥臂的下开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电 平通过第一异或门得到第一桥臂的中开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的 控制电平；第二桥臂的第一调制波R a2+RdM与第j个载波G通过第三比较器得到第二桥臂的 上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平，当第二桥臂的第一调制波 Ra2+RdM大于第j个载波Cj时，第三比较器输出高电平，当第二桥臂的第一调制波R a2+RdM小 于第j个载波Cj时，第三比较器输出低电平；第二桥臂的第二调制波Rb2+Rd()b与第j个载波 Cj通过第四比较器得到第二桥臂下开关组的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制 电平，当第二桥臂的第二调制波Rb2+R d()b小于第j个载波&时，第四个比较器输出高电平，当 第二桥臂的第二调制波Rb2+R d()b大于第j个载波&时，第四比较器输出低电平；第二桥臂的 上开关组的第j个功率开关单元中第二开关管门极的控制电平和第二桥臂下开关组的第j 个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平通过第二异或门得到第二桥臂的中开关组 的第j个功率开关单元的第二开关管门极的控制电平；每个开关组的每个功率开关单元中 第二开关管门极的控制电平反相后得到该功率开关单元中第一开关管门极的控制电平。
[0013] 工作模式包括同频模式和异频模式，同频模式中，第一路输入与第二路输入的电 压频率相同，电压幅值不相同；异频模式中，第一路输入与第二路输入的电压频率和幅值均 不同。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有的优势为：两路单相交流输入电源均转换为两 路2N+1电平交流输入，输入电流波形质量很高；功率开关单元中每个开关管承受的电压应 力仅为直流母线电压的1/N，同时能保证整流器工作过程中所有开关管承受的电压相等，很 好的解决了开关管的均压问题。与现有的单相六开关整流器相比较，本实用新型所提供的 双输入单相六开关组MMC整流器的两路单相交流输入电源均转换为两路2N+1电平交流输 入，输入电流波形的质量有了极大的提高。此外，每个开关管的承受的电压应力仅为直流 母线电压的1/N，且本实用新型所提供的控制方法使整流器工作过程中所有开关管承受的 电压相等，很好的解决了开关管的均压问题，这将非常有利于双输入单相六开关组MMC整 流器在高压和大功率场合的应用。与现有的MMC整流器相比较，本实用新型所提供的双输 入单相六开关组MMC整流器具有两路交流输入，可直接用于两条不同频率的交流线路的相 连，极大的降低了工程成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本实用新型的双输入单相六开关组MMC整流器的电路结构图；
[0016] 图2是图1所示的双输入单相六开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结构 图；
[0017] 图3是图1所示的双输入单相六开关组MMC整流器的载波移相PWM控制结构图；
[0018] 图4a、4b是图1所示的双输入单相六开关组MMC整流器分别工作于同频模式和异 频模式下的调制波；
[0019] 图5a、5b是双输入单相六开关组五电平MMC整流器工作于同频模式和异频模式的 仿真波形图。
【具体实施方式】
[0020] 为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施 方案进行具体说明。但本实用新型的实施不限于此。
[0021] 参考图1，本实用新型的双输入单相六开关组MMC整流器，包括第一交流输入电 源ua、第二交流输入电源u b、第一电感La、第二电感Lb、第一桥臂、第二桥臂和负载R ;所述 第一桥臂和第二桥臂均由上开关组（氏、H2)、中开关组（Μρ M2)、下开关组（Lp L2)、第三电感 (LH1、LH2)、第四电感（Lu、U2)串联而成；第一桥臂的上开关组氏?Ν个功率开关单元（SM H11、 SMh12、…、SMH1N)串联而成，第一桥臂的中开关组A由N个功率开关单元（SM m11、SMm12、…、 SMM1N)串联而成，第一桥臂的下开关组Q由N个功率开关单元（SMU1、SMU2、…、SM UN)串联 而成，第二桥臂的上开关组H2由N个功率开关单元（SMH21、SM H22、…、SMH2N)串联而成，第二 桥臂的中开关组M2由N个功率开关单元（SM^.SM^、…、SM KN)串联而成，第二桥臂的下开 关组L2由N个功率开关单元（SMm、SMm、…、SM m)串联而成；第一交流输入电源ua的两 端作为第一路输入，第二交流输入电源％的两端作为第二路输入。
[0022] 第一桥臂的上开关组氏的下端p与第一桥臂的第三电感Lm的一端连接，第一桥臂 的第三电感L m的另一端与第一桥臂的中开关组札的上端〇连接，第一桥臂的中开关组札 的下端与第一桥臂的第四电感1^的一端连接，第一桥臂的第四电感1^的另一端与第一桥 臂的下开关组U的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；第一交流输入 电源u a的一端与第一桥臂的中开关组A的上端连接，第一交流输入电源ua的另一端与第 一电感L a的一端连接，第一电感La的另一端与第二桥臂的中开关组M2的上端连接；第二交 流输入电源u b的一端与第一桥臂的中开关组A的下端连接，第二交流输入电源ub的另一 端与第二电感L b的一端连接，第二电感Lb的另一端与第二桥臂的中开关组M2的下端连接； 第一桥臂的上开关组氏的上端与第二桥臂的上开关组氏的上端、负载R的一端连接，负载 R的另一端与第一桥臂的下开关组U的下端、第二桥臂的下开关组U的下端、地端η连接。
[0023] 图2示出图1所示的双输入单相六开关组MMC整流器的功率开关单元的电路结 构，包括第一开关管Si、第二开关管S 2、第一二极管Di、第二二极管D2和电容CSM ;其中，电容 CSM的正极与第一开关管Si的集电极、第一二极管Di的阴极连接，第一开关管Si的发射极与 第一二极管Di的阳极、第二开关管S 2的集电极、第二二极管D2的阴极连接，第二开关管S2 的发射极与第二二极管D2的阳极、电容CSM的负极连接；第二开关管S2的集电极作为第一 输出端，第二开关管S 2的发射极作为第二输出端。
[0024] 如图1所示，每个开关组的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+Ι个功率开 关单元的第一输出端连接，其中j的取值为1?N-1。
[0025] 令第一路输入电压为
【权利要求】
1. 双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：包括第一交流电源（?3)、第二交流输 入电源（?)、第一电感(4)、第二电感(Ζ Α)、第一桥臂、第二桥臂和整流负载0?);所述第一 桥臂和第二桥臂均由上开关组（Hi、H2)、中开关组（ΜρΜ 2)、下开关组0^、1^2)、第三电感(&、 Ζι)、第四电感(ZZ7、ZzP串联而成；第一桥臂的上开关组（?)由N个功率开关单元（SM H11、 SMh12、…、SMH1N)串联而成，第一桥臂的中开关组（M〇由N个功率开关单元（SM m11、SMm12、…、 SMM1N)串联而成，第一桥臂的下开关组（LJ由N个功率开关单元（SMU1、SMU2、…、SM UN)串 联而成，第二桥臂的上开关组（H2)由N个功率开关单元（SMH21、SM H22、…、SMH2N)串联而成， 第二桥臂的中开关组(M2)由N个功率开关单元（SM^.SM^、…、SM KN)串联而成，第二桥臂 的下开关组（L2)由N个功率开关单元（SMm、SMm、串联而成；第一交流输入电源 (" 3)的两端作为第一路输入，第二交流输入电源（?)的两端作为第二路输入，N为正整数。
2. 根据权利要求1所述的双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：第一桥臂的 第三电感(Z&)和第四电感(Zz7)由耦合电感替代，第二桥臂的第三电感(Ζι)和第四电感 (Zu)由耦合电感替代。
3. 根据权利要求1所述的双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：第一桥臂的 上开关组（?)的下端（p)与第一桥臂的第三电感(Z&)的一端连接，第一桥臂的第三电感 (4；)的另一端与第一桥臂的中开关组(MJ的上端（〇)连接，第一桥臂的中开关组(Μ〇的下 端与第一桥臂的第四电感的一端连接，第一桥臂的第四电感(匕 7)的另一端与第一桥 臂的下开关组（U)的上端连接；第二桥臂的结构与第一桥臂的结构完全一致；第一交流输 入电源〇/ 3)的一端与第一桥臂的中开关组(MJ的上端连接，第一交流输入电源（化）的另一 端与第一电感(4)的一端连接，第一电感(Ζ 3)的另一端与第二桥臂的中开关组(Μ2)的上端 连接；第二交流输入电源（?)的一端与第一桥臂的中开关组（Μ〇的下端连接，第二交流输 入电源(?)的另一端与第二电感(4)的一端连接，第二电感(4)的另一端与第二桥臂的中 开关组（M 2)的下端连接；第一桥臂的上开关组（?)的上端与第二桥臂的上开关组（?)的上 端、负载0?)的一端连接，负载0?)的另一端与第一桥臂的下开关组（U)的下端、第二桥臂 的下开关组（U)的下端、地端(/7)连接。
4. 根据权利要求1所述的双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：功率开关单 元包括第一开关管(?)、第二开关管(?)、第一二极管(4)、第二二极管(4)和电容(G #); 其中，电容(G#)的正极与第一开关管(?)的集电极、第一二极管(久）的阴极连接，第一开关 管(?)的发射极与第一二极管(A)的阳极、第二开关管(?)的集电极、第二二极管(4)的 阴极连接，第二开关管(?)的发射极与第二二极管(4)的阳极、电容(G #)的负极连接；第 二开关管(?)的集电极作为第一输出端，第二开关管(?)的发射极作为第二输出端。
5. 根据权利要求1所述的双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：每个开关组 的第j个功率开关单元的第二输出端与第j+Ι个功率开关单元的第一输出端连接，其中j 的取值为1~N-1。
6. 根据权利要求1所述的双输入单相六开关组MMC整流器，其特征在于：工作模式包 括同频模式和异频模式，同频模式中，第一路输入与第二路输入的电压频率相同，电压幅值 不相同；异频模式中，第一路输入与第二路输入的电压频率和幅值均不同。
【文档编号】H02M7/219GK203872074SQ201420056400
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】张波, 付坚, 丘东元 申请人:华南理工大学